Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи исследования 8
1.1. Основные типы резервуаров, находящихся в эксплуатации 8
1.2. Нагрузки и воздействия при эксплуатации резервуаров 11
1.3. Прочность конструкции стального резервуара при воздействии эксплуатационных нагрузок 13
1.4. Устойчивость конструкции стального резервуара при воздействии эксплуатационных нагрузок 20
1.5. Анализ экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния резервуаров на моделях 24
1.6. Постановка задачи на собственное исследование 30
2. Оценка состояния конструкций цилиндрических резервуаров 33
2.1. Классификация несовершенств геометрической формы и анализ причин их возникновения 33
2.2. Статистический анализ угловых деформаций монтажных швов длительно эксплуатируемых резервуаров 38
2.3. Анализ влияния угловых деформаций монтажных швов на эксплуатационную надежность резервуара 45
Выводы по разделу 55
Разработка технологии моделирования конструкций резервуаров 56
3.1. Анализ основных методов моделирования и выбор подхода к определению условий подобия между моделью и натурным резервуаром 56
3.2. Определение индикаторов подобия на основе расширенного аффинного подобия для моделирования конструкций резервуаров, имеющих начальные несовершенства 65
3.3. Последовательность операций моделирования конструкций резервуаров 70
3.4. Выбор материала для изготовления моделей 72
3.5. Влияние масштабного эффекта при исследовании свойств материала модели 78
3.6. Анализ применимости различных методов измерения деформаций и напряжений к исследованию резервуаров на моделях 80
Выводы по разделу 85
Определение физико-механических свойств материала модели 86
4.1. Описание экспериментальной установки 86
4.2. Подготовка установки к проведению экспериментальных исследований 90
4.3. Экспериментальные исследования влияния температуры на деформационные свойства материала 90
4.4. Экспериментальные исследования механических свойств материала 98
Выводы по разделу 108
5. Экспериментальные исследования моделей резервуаров с несовершенствами геометрической формы 109
5.1 Определение геометрических параметров моделей 109
5.2. Определение количества моделей для испытаний 111
5.3. Проектирование и технология изготовления моделей
крупногабаритных резервуаров из целлулоида 118
5.4. Методика проведения испытаний на моделях 122
5.5. Методика перехода от параметров моделей к параметрам натурной конструкции 133
5.6. Результаты экспериментального исследования деформированного состояния модели РВС — 20000 136
5.7. Оценка достоверности полученных результатов 147
5.8. Оценка точности результатов моделирования резервуаров 153
5.9. Предложения по практическому использованию разработанной методики 159
Выводы по разделу 162
Выводы по диссертации 164
Список литературы
- Основные типы резервуаров, находящихся в эксплуатации
- Классификация несовершенств геометрической формы и анализ причин их возникновения
- Анализ основных методов моделирования и выбор подхода к определению условий подобия между моделью и натурным резервуаром
- Подготовка установки к проведению экспериментальных исследований
Введение к работе
В настоящее время только на предприятиях компании "Транснефть" срок эксплуатации 60% вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) превышает нормативный. Планы проведения ремонтных работ показывают, что потребность в их ремонте с каждым годом возрастает. Одной из главных причин, существенно снижающей уровень эксплуатационной надежности резервуаров, являются недопустимые дефекты геометрической формы. На данный вид работ приходится больше половины всех выполняемых ремонтов (рис. 1.1).
остатки монтажных іііітісішк; кішігфукшішьк '.vucmciitur
коррозия прватоообімянй ^**^ дефекты сварных швов
Рис. 1.1. Распределение дефектов, выявленных при обследованиях резервуаров
Поскольку нормативные документы по разработке проектов ремонта резервуаров с несовершенствами геометрической формы практически отсутствуют, перед выполнением таких работ, требуется теоретически, либо экспериментально подтвердить правомерность применения того или иного проектного решения. В то же время, теоретические, проверенные на практике методы исправления геометрических дефектов разработаны недостаточно. Анализ решений по разработке проектов ремонта показывает, что зачастую они принимаются интуитивно и не имеют
научного обоснования. Перед эксплуатацией резервуара после ремонта также требуется определить параметры его прочности.
Помимо проблем, связанных с ремонтом старых резервуаров, не теряют актуальности задачи создания новых, более надежных конструкций. При проектировании новых резервуаров необходимо производить сопоставление различных вариантов конструкций по условиям прочности и жесткости.
Наиболее точно определить параметры прочности резервуара позволяет промышленный эксперимент. При этом, как правило, требуется довести конструкцию до предельного состояния, что нередко сопровождается потерей устойчивости, и, как следствие, потерей сотен тонн металлоконструкций. Кроме того, для экспериментального исследования наиболее распространенных РВС объемом 5-20 тыс.м3 требуются значительные трудовые и материальные затраты, технически затруднена реализация различных видов нагружений и измерений. В силу названных причин промышленные эксперименты немногочисленны, а их результаты не могут быть в полной мере использованы при разработке нормативной документации.
В связи с этим возникает вопрос о возможности исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров на моделях. Метод модельных испытаний является технически и материально более выгодным вариантом экспериментальных исследований, т.к. благодаря своей доступности позволяет в короткие сроки производить серии экспериментов по выявлению влияния геометрических несовершенств на НДС конструкции в рамках стохастического подхода, дает возможность проанализировать действие любого фактора в отдельности, выявить особенности взаимодействия нескольких факторов и их комплексное влияние на напряженное состояние резервуара.
Задачами, связанными с моделированием резервуаров, занимались Н.Н. Дмитриев, А.Г. Гумеров, Е.А. Егоров, Б.Л. Крайтерман, М.К. Сафарян, В.Е. Шутов. Все авторы приходят к общим выводам:
- моделирование резервуаров методом простого подобия трудно
выполнимо, т.к. в этом случае следует применить сверхтяжелую жидкость,
плотностью не менее 50000 кг/м3, что в 50 раз больше плотности воды;
- невозможно создать модель, одновременно адекватно
отражающую вопросы прочности и устойчивости;
- существует необходимость в исследованиях с привлечением
вероятностно-статистического аппарата, учитывающего влияние на НДС
конструкции резервуара случайных факторов.
Анализ работ, посвященных моделированию НДС резервуаров, показал, что основная часть исследований выполнялась без применения научно обоснованной методики моделирования. Остальная часть работ не учитывает в индикаторах подобия того факта, что реальная конструкция имеет несовершенства геометрической формы. В силу сложности задачи по нахождению индикаторов подобия, авторы исследований, как правило, при анализе физических уравнений не учитывают расхождение в значениях коэффициента Пуассона, что приводит к снижению точности конечных результатов до 10%. Таким образом, проблема совершенствования существующих методов экспериментального исследования конструкций РВС на моделях весьма актуальна.
Настоящая диссертационная работа посвящена обоснованию возможности моделирования процессов напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных цилиндрических резервуаров, имеющих несовершенства геометрической формы, с применением методов расширенного аффинного подобия в стохастической постановке задачи.
Основные типы резервуаров, находящихся в эксплуатации
В результате освоения нефтяных месторождений, обустройства нефтяных промыслов и сооружения объектов транспорта нефти происходит расширение и реконструкция нефтебаз, что определяет необходимость строительства капиталоемких резервуарных парков, которые являются одним из основных технологических сооружений нефтепромыслов, нефтебаз и нефтеперекачивающих станций.
В отечественной практике строительства РВС, начиная с 1949 года, получил распространение рулонный метод монтажа резервуаров [70]. В связи с большим числом преимуществ данной технологии, по 1999 год монтаж резервуаров из рулонных заготовок заводского изготовления был главным способом сооружения РВС.
Одним из существенных недостатков рулонного метода является дефект геометрической формы, в виде угловых деформаций свободных кромок полотнищ, возникающий при выполнении сварочно-монтажных работ. В ходе гармонизации отечественной нормативно-технической базы со стандартом АРІ-650, с 1999 года крупногабаритные резервуары в России изготавливают, преимущественно, полистовым методом. Однако осталось достаточно много РВС, сооруженных по прежней технологии.
В процессе эксплуатации резервуаров за этот период, произошла целая серия аварий РВС рулонной сборки, включая их полное разрушение. Наиболее полно обзор аварий приведен в работах [90, 73]. Выяснилось, что существующие конструкции во многом не совершенны, построены со значительными отклонениями от проектной формы и нуждаются в дополнительных исследованиях.
С 1951 года ВНИИСТ и ряд других организаций стал проводить испытания опытных конструкций резервуаров, в которых особое внимание уделялось узлам и элементам, наиболее нагружаемым в процессе эксплуатации. Наиболее значимыми для дальнейшего развития области резервуаростроения являются исследования проводимые ЦНИИПСК им. Мельникова под руководством М.К. Сафаряна [75-81], Н.П. Петрова [57], Б.В. Поповского [64]. Большой вклад в современное состояние отрасли внесли экспериментальные работы В.А. Буренина [16], В.Е. Шутова [111], В.Б. Галеева [21], А.А. Тарасенко [90, 89], М.В. Саяпина [82], А.В. Никишина [55] и др.
Начиная с 1980 года темпы добычи нефти, особенно в регионах Западной и Северо-Западной Сибири, резко повысились, что определило высокие темпы строительства резервуарных парков. Возникла необходимость внедрения в практику резервуаростроения крупногабаритных конструкций резервуаров, что обуславливается их значительной экономичностью (рис. 1.2). В связи с этим в нашей стране были спроектированы РВС вместимостью 100 и 120 тыс. м3 [5], однако пока они не нашли должного применения. Это обуславливается следующим.
Все крупногабаритные резервуары, построенные за рубежом, сооружены полистовым методом. В России, превалирующим методом строительства РВС являлся монтаж из рулонных заготовок. Технико-экономический анализ эксплуатации крупногабаритных РВС показывает, что даже резервуары вместимостью 50 тыс. м , построенные рулонным методом, все без исключения имеют монтажные несовершенства геометрической формы [19].
По состоянию на начало 1998 года на балансе нефтепроводных предприятий АК "Транснефть" для транспорта и хранения нефти находятся следующие типы резервуаров (рис. 1.3) [71]:
Из представленной на рис. 1.3 диаграммы следует, что к наиболее распространенным в настоящее время в нашей стране конструкциям резервуаров можно отнести РВС-5000, РВС-10000 и РВС-20000. Поскольку большинство резервуаров указанных типоразмеров построено рулонным способом, то их значительная часть имеет отклонения от идеальной геометрической формы и требует оценки степени влияния дополнительно возникающих полей напряжений при эксплуатационных нагрузках.
Обеспечение необходимого уровня надежности и долговечности резервуара закладывается на стадиях проектирования и строительства. Срок эксплуатации многих РВС, построенных рулонным методом, приближается к нормативному, а несовершенства формы во много раз превышают проектные значения.
В процессе эксплуатации конструкция РВС подвергается воздействию целой гаммы различных нагрузок, непосредственно влияющих на прочность, устойчивость и сроки службы резервуара [87]. Основной эксплуатационной нагрузкой, действующей на резервуар, является гидростатическое давление столба жидкости. Помимо отмеченной нагрузки, на РВС оказывают влияние такие факторы, как: избыточное давление паров в газовом пространстве, вакуум, вибрации при сливе и наливе нефтепродукта, температурные воздействия, сейсмические воздействия, деформации грунта под основанием резервуара, вес снегового покрова при эксплуатации в период зимнего времени. На наружную поверхность резервуара, в процессе эксплуатации также оказывают интенсивное воздействие внешние факторы: относительная влажность воздуха, ветер, осадки, солнечная радиация, коррозионно-активные газы, присутствующие в атмосфере промышленных предприятий.
Из всего многообразия представленных нагрузок, существенное влияние на НДС резервуарного сооружения оказывают нагрузки, показанные на рис. 1.4.
Интенсивный рост добычи нефти и нефтепродуктов влечет за собой интенсификацию производственных процессов, что ведет как к целесообразной необходимости увеличения габаритов РВС, с целью повышения вместимости резервуаров, так и к их чрезвычайно интенсивному использованию
Классификация несовершенств геометрической формы и анализ причин их возникновения
В задачах, связанных с прочностью и устойчивостью тонкостенных оболочек РВС, приходится сталкиваться с таким фактором как несовершенства геометрической формы. Изучение причин возникновения начальных несовершенств геометрической формы и механизмов их влияния на НДС конструкции резервуара имеет большое значение, т.к. от этого зависит надежность и безаварийность его эксплуатации.
При рулонном методе изготовления резервуаров, элементы металлоконструкций доставляются на строительную площадку в виде полотнищ, навернутых на металлический каркас. Полотнища собираются, свариваются и сворачиваются в рулоны на специальных двухъярусных установках для рулонирования. Нарушения технологии сборки и сварки рулонных заготовок приводят к таким дефектам, как смещение кромок свариваемых листов в поперечном направлении, нарушения геометрической формы сварных швов, сдвиг торцов верхнего пояса относительно нижнего, не полное проплавление сварного шва по толщине листов, угловые деформации в месте стыка отдельных листов, неправильная круговая форма в сечении рулона, западання и выпучивания кромки рулона.
Большое количество дефектов геометрической формы образуется на этапе выполнения погрузочно-разгрузочных работ. Это связано, прежде всего, с низким качеством погрузочно-разгрузочных операций и нарушением правил доставки полотнищ на монтажную площадку. К дефектам, связанным с транспортировкой рулонов, относятся смятие части рулона, регулярные и локальные вмятины, задиры, гофры, пробои.
Несовершенства, полученные за все предыдущие операции значительно влияют на последующие. Это особенно заметно на последней стадии монтажа РВС. Так, при сборке, накопленные несовершенства могут привести к неточному соответствию стыков под сварку по образующей и направляющей стенки, неравномерному остыванию, образованию околошовной вмятины из-за усадки сварного шва. Также в зоне, в которой проводилась сварка, может произойти увеличение ранее имевшейся погиби, либо искажение формы оболочки резервуара, т.к. при сварке полотнищ, зона сварного шва, вследствие усадки наплавленного металла вызывает напряжения в основном металле.
У резервуаров, изготовленных методом рулонирования, значительная часть дефектов носит ярко выраженный монтажный характер. Это дефекты сварного соединения полотнищ, неубранные остатки монтажных приспособлений, вырывы металла, неточно собранные окрайки, кратеры в шве окраек, монтажные сварные швы с нарушениями геометрии, угловатость монтажных швов.
Наиболее частым дефектом, встречаемым в конструкциях РВС, изготовленных рулонным методом, является угловатость монтажных швов (рис. 2.1). Операции выправление концевых участков полотнищ и замыкания монтажных стыков являются самыми трудоемкими операциями на этапе монтажа конструкции (рис. 1.7). При разворачивании полотнища, наряду с изгибающим моментом, возникает дополнительно сжимающее усилие, которое приводит к деформации полотнища. Это приводит, в свою очередь, к послесварочным деформациям, изгибающим стенку. В зависимости от вместимости резервуара и качества монтажных работ угловые деформации замыкающего шва могут иметь различную величину
Помимо дефектов, возникающих при строительстве резервуара, существуют дефекты, которые появляются в процессе эксплуатации. К таким дефектам относятся поражения конструкции равномерной и язвенной коррозией, дефекты, связанные с нарушением правил эксплуатации РВС.
Для более четкого представления о процессе возникновения несовершенств геометрической формы тонкостенных оболочек РВС, необходима классификация тех факторов, которые приводят к их появлению. По результатам проведенного анализа, составим классификацию причин возникновения несовершенств геометрической формы, возникающих при монтаже конструкции (рис. 2.2).
Влияние несовершенств оболочки резервуара на его прочность и устойчивость при воздействии эксплуатационных нагрузок целесообразнее и эффективнее исследовать на основе грамотно поставленных и научно-обоснованных модельных экспериментов. При экспериментальных исследованиях в лаборатории, можно проанализировать действие любого фактора в отдельности. Это позволяет получить качественную картину
Анализ основных методов моделирования и выбор подхода к определению условий подобия между моделью и натурным резервуаром
Каждый резервуар по-своему уникален и имеет начальные искривления геометрической формы уже на этапе строительства. Экспериментальные исследования таких авторов, как В.Л. Березин, В.А. Буренин, В.Б. Галеев, А.Г. Гумеров, А.А. Тарасенко, В.Е. Шутов [7, 16, 111, 24, 31, 90] показывают, что начальные несовершенства геометрической формы значительно снижают прочность и устойчивость конструкции РВС. Для обеспечения безаварийной, надежной эксплуатации резервуаров и увеличения срока их службы, необходимо располагать научно обоснованными данными о допустимых размерах начальных несовершенств геометрической формы, иметь методики оценки влияния различных дефектов металлоконструкции резервуара, на его НДС.
До настоящего времени точно оценить НДС конструкции резервуара с несовершенствами геометрической формы, расчетным путем не представляется возможным. Получить достоверное решение для РВС с несовершенствами геометрической формы можно лишь с привлечением численных методов или промышленных экспериментов.
Очень часто, при исследованиях влияния несовершенств геометрической формы на НДС резервуара, конструкции доводятся до критического состояния потери устойчивости. В этом случае возникает вопрос целесообразности проведения экспериментов на реальных РВС, т.к. моделирование является технически и материально более выгодным вариантом экспериментального исследования.
Подробной классификации существующих методов моделирования строительных конструкций уделено внимание в работах таких отечественных исследователей как В.Б. Геронимус, А.А. Гухман, В.А. Веников и др. [25, 33, 59, 17]. Схема представленная на рис. 3.1, является результатом анализа существующих в настоящее время методов экспериментального исследования строительных конструкций на моделях.
Модели, применяемые для исследования прочности и устойчивости конструкций РВС можно разделить на три основные группы:
1 Модели, основанные на геометрическом соответствии. При данном виде моделирования, константы преобразования всех линейных размеров равны и геометрические предельные условия выполняются тождественно.
2. Физически подобные модели. Модели, соответствие которых с натурными сооружениями обуславливается не относительным равенством геометрических размеров, а сходством их физической природы. Частным случаем физического соответствия процессов является механическое, отличительной чертой которого является требование подобного распределения механических и теплофизических свойств материалов.
3. Модели, основанные на математическом соответствии. В моделях, представляющих третью группу, тождественность процессов с натурной конструкцией устанавливается при помощи анализа системы уравнений, описывающей поведение этих систем. Система уравнений, представленная в алгебраической, дифференциальной или интегральной форме, дает более полную информацию о зависимостях между параметрами, чем сведения о размерностях физических величин.
Моделирование может быть осуществлено как на физических моделях, так и при помощи ЭВМ. Применение ЭВМ позволяет добиться приемлемой достоверности получаемых экспериментальных данных, однако при этом теряется связь с физической природой рассматриваемого
объекта, пропадает наглядность проводимого эксперимента, возможность учета случайных явлений, возможность параметрического прогноза, установления новых закономерностей.
Таким образом, для исследования НДС конструкций резервуаров с несовершенствами геометрической формы в лабораторных условиях, целесообразнее применить физическое моделирование, основанное на математическом соответствии. Анализ литературных источников показал, что моделирование, основанное на математическом описании изучаемых явлений, можно выполнить с помощью следующих теорий подобия: 1. Простое подобие; 2. Аффинное подобие; 3. Расширенное подобие. 4. Расширенное аффинное подобие.
Отличительной чертой геометрического соответствия и простого подобия, является равенство всех линейных масштабов и выполнение моделей из материала, идентичного натурной конструкции. При применении простого подобия также должно выполняться условие тождественности действия поверхностных сил в модели и натуре, что выражается в их одинаковой направленности и интенсивности.
Подготовка установки к проведению экспериментальных исследований
Температурный фактор играет немаловажную роль при проведении экспериментальных работ по изучению прочности конструкций РВС на моделях из целлулоида. Следовательно, имеется необходимость в проведении испытаний материала, на выявление реологической зависимости s = f{t), характеризующей деформационные свойства материала от изменения температуры.
Контроль за изменениями значений деформации производился через каждые 5 С, в диапазоне температур 10-50 С. Выбранный интервал температурных значений является вполне достаточным для определения зависимости между деформационными свойствами материала и изменением температуры [34]. Измерение температуры в ходе эксперимента осуществлялось термометром с ценой деления шкалы 1 С, зафиксированного внутри чехла на той же высоте, что и образец (рис. 4.3). С целью полной стабилизации деформации образца при заданном с помощью терморегулятора уровне температуры, показания с измерительного устройства снимались через 5 минут после достижения заданного уровня температуры.
В целях исключения ошибок и предвзятости при анализе результатов эксперимента, необходимо определить достаточное число наблюдений в выборке. Выполним оценку соответствия экспериментально полученных значений случайной величины є теоретическому закону нормального распределения. Проверка соответствия значений деформаций є закону нормального распределения проводилась для каждого уровня температуры / при помощи программы "Stat_l", структура которой представлена в приложении 1. Программа оценки соответствия исследуемой величины теоретическому закону нормального распределения "Stat_l" разработана автором по методике расчета, представленной в работе [109].
На рис. 4.4 представлен результат оценки программой "Stat_l" случайной величины є для температурного режима 10 С. 1 Проведя на ЭВМ расчеты для всех значений температуры, определяем, что исследуемая величина во всех случаях подчиняется нормальному закону распределения.
Так как измеренная совокупность случайных величин деформации целлулоида не противоречит нормальному закону распределения, то для решения задачи нахождения оптимального числа наблюдений в выборке, можно применить метод, основанный на нахождении распределения Л Л отношения оценки в параметра є к самому параметру є. Если оценка 9 такова, что распределение не зависит от неизвестных характеристик, то, зная это распределение, можно по заданной вероятности а найти интервал Л/ єа, вероятность попадания в/є в который равна а. Найденный интервал и будет доверительным интервалом для є. Доверительный интервал для положительного параметра є, подчиняющегося функции нормального распределения, определяется следующей формулой [2]: тжШі-єа)-в\ є (\ + єа)-в. (4.1) К. Пирсон показал, что доверительный интервал єа при возрастании числа опытов, стремится к %г - распределению с к степенями свободы: к = п-2, (4.2) где п - число наблюдений в выборке. С другой стороны, значение єа можно найти из отношения ea=t/S, (4.3) где — точность наблюдений; S — среднеквадратическое отклонение. Точность наблюдений определяется из следующего отношения: = Ьыы.пр./Ь (4-4) где Аизл1 пр - погрешность применяемого измерительного прибора; ,. — численное значение результатов измерений. Выразив из (4.2) значение п, и определив по приложению 12, значение к, мы можем найти необходимое и достаточное число измерений пдост Для каждого исследуемого уровня температуры:
По представленным теоретическим расчетам автором составлена программа "Stat_2", в которой все выше названные вычисления производятся автоматически (Приложение 2). Результаты оценки репрезентативности предварительной выборки (табл.4.2) приведены в табл. 4.3.
Из таблицы видно, что необходимое число наблюдений колеблется от 3 до 12. В качестве предела при сопоставлении выборки к генеральной совокупности примем максимальную из полученных величин пдост = 12.
Далее определим достаточное количество серий экспериментов. Одним из методов, позволяющих ответить на поставленный вопрос, является критерий Кокрена, основанный на сравнении дисперсий, вычисленных по результатам одинакового числа наблюдений (имеющих одну и ту же степень свободы). Согласно данному способу, вычислим отношение максимальной дисперсии к сумме всех дисперсий и сравним результат с табличной величиной (приложение 11):
